DE69909423T2 - Load-dependent low-temperature cooling circuit - Google Patents

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Description

Technisches Gebiettechnical area

Diese Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf die Kühlung und genauer auf die Verwendung von Mehrkomponentenkältemitteln, die zum Erzeugen von Kälte nützlich sind. Die Erfindung ist besonders nützlich für die Bereitstellung von Kälte bis hinunter zu kryogenen Temperaturen.This invention relates generally on the cooling and more specifically on the use of multi-component refrigerants, those for generating cold useful are. The invention is particularly useful for providing cold up down to cryogenic temperatures.

Stand der TechnikState of the art

Kälte wird konventionellerweise durch Verdichten und anschließendes Expandieren eines Kältemittels innerhalb eines Kühlkreises erzeugt. Wohlbekannte Beispiele derartiger konventioneller Systeme beinhalten Kältemaschinen und Klimaanlagen. Typischerweise ist das Kältemittel ein Einkomponentenfluid, das bei einer erforderlichen Temperatur eine Phasenveränderung von Flüssigkeit zu Gas durchläuft, wodurch seine latente Verdampfungswärme für Kühlzwecke verfügbar gemacht wird. Die Effizienz des konventionellen Systems kann durch die Verwendung eines Mehrkomponentenfluids als das Kältemittel verbessert werden, das variable Mengen von Kälte über einen erforderlichen Temperaturbereich hinweg bereitstellen kann. Allerdings können bekannte Mehrkomponentenfluid-Kühlzyklen nicht auf effiziente Weise Kälte über einen großen Temperaturbereich hinweg bis hinunter zu kälteren kryogenen Temperaturen bereitstellen. Darüber hinaus sind die meisten wohlbekannten Kältemittele toxisch, entflammbar und/oder ozonabreichernd.cold is conventionally done by compacting and then expanding of a refrigerant within a cooling circuit generated. Well-known examples of such conventional systems include chillers and air conditioners. Typically the refrigerant is a one component fluid, a phase change at a required temperature of liquid going through to gas making its latent heat of vaporization available for cooling purposes becomes. The efficiency of the conventional system can be increased by using a multi-component fluid as the refrigerant can be improved, the variable amounts of cold over one can provide the required temperature range. Indeed can be known Multi-component fluid refrigeration cycles not efficiently cold over you huge Temperature range down to colder cryogenic temperatures provide. About that In addition, most well-known refrigerants are toxic, flammable and / or ozone depleting.

In EP-A-0 516 093 ist eine Kühleinheit beschrieben, die einen Hochtemperatur-Seitenkältemittelkreislauf und einen Niedertemperatur-Seitenkältemittelkreislauf zur Ausbildung eines unabhängigen geschlossenen Kältemittelkreislaufs aufweist, der einen Kühleffekt erbringt, indem von einem Kompressor abgelassenes Kältemittel kondensiert und anschließend verdampft wird, und ein Verdampfer des Hochtemperatur-Seitenkältemittelkreislaufs und der Kondensator des Niedertemperatur-Seitenkältemittelkreislaufs bildet einen Wärmetauscher aus. Die Einheit verwendet ein nicht acetropisches Gemischkältemittel, das ein aus der aus Argon und Stickstoff bestehenden Gruppe ausgewähltes anorganisches Kältemittel, einen Kohlenwasserstoff und mindestens ein aus der aus Hydrochlorfluorkohlenwasserstoff, Hydrofluorkohlenwasserstoff Kohlenwasserstoff und Fluorkohlenwasserstoff bestehenden Gruppe ausgewähltes Kältemittel aufweist.In EP-A-0 516 093 there is a cooling unit described a high temperature side refrigerant circuit and a Low-temperature side refrigerant circuit to train an independent closed refrigerant circuit has a cooling effect provided by refrigerant discharged from a compressor condensed and then is evaporated, and an evaporator of the high temperature side refrigerant circuit and forms the condenser of the low temperature side refrigerant circuit a heat exchanger out. The unit uses a non-acetropic mixed refrigerant, which is an inorganic selected from the group consisting of argon and nitrogen Refrigerant a hydrocarbon and at least one of hydrochlorofluorocarbon, Hydrofluorocarbon hydrocarbon and fluorocarbon selected group refrigerant having.

Substitute für Chlordifluourmethan (HCFC-22) sind in US-A-5 736 063 offenbart.Substitute for chlorodifluoromethane (HCFC-22) are disclosed in US-A-5 736 063.

Dementsprechend besteht eine Aufgabe dieser Erfindung in der Bereitstellung eines Verfahrens zum Erzeugen von Kälte unter Verwendung eines Mehrkomponentenkältemittels, das Kälte über einen großen Temperaturbereich hinweg bis hinunter zu kryogenen Temperaturen bereitstellen kann.Accordingly, there is a task of this invention in providing a method of producing of cold using a multi-component refrigerant, the cold over a large temperature range can provide down to cryogenic temperatures.

Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Mehrkomponentenkältemittels, das nicht toxisch, nicht entflammbar, und wenig oder nicht ozonabreichernd ist.Another object of this invention consists in the provision of a multi-component refrigerant, that is non-toxic, non-flammable, and low or non-ozone depleting is.

Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention

Die obigen und weitere Aufgaben, die dem Fachmann anhand dieser Beschreibung deutlich werden, werden durch die vorliegende Erfindung gelöst, deren einer Aspekt ein Verfahren zum Erzeugen von Kälte gemäß Anspruch 1 ist.The above and other tasks, which will become apparent to those skilled in the art from this description solved by the present invention, one aspect of which Process for generating cold according to claim 1 is.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Kältemittelgemisch gemäß Anspruch 5.Another aspect of the invention is a mixture of refrigerants according to claim 5th

Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "Kältemittel mit variabler Last" ein Gemisch aus zwei oder mehreren Komponenten in Anteilen, so dass die Flüssigphase dieser Komponenten eine kontinuierliche und zunehmende Temperaturveränderung zwischen dem Blasenbildungspunkt und dem Taupunkt des Gemisches durchläuft. Der Blasenbildungspunkt des Gemisches ist diejenige Temperatur bei einem gegebenen Druck, bei der das Gemisch vollständig in der Flüssigphase vorliegt, aber eine Zufügung von Wärme die Ausbildung einer im Gleichgewicht mit der Flüssigphase vorliegenden Dampfphase auslöst. Der Taupunkt des Gemisches ist diejenige Temperatur bei einem gegebenen Druck, bei der das Gemisch vollständig in der Dampfphase ist, aber eine Extrahierung von Wärme die Ausbildung einer im Gleichgewicht mit der Dampfphase vorliegenden Flüssigphase auslöst. Somit ist der Temperaturbereich zwischen dem Blasenbildungspunkt und dem Taupunkt des Gemisches derjenige Bereich, in dem sowohl Flüssigkeits- wie Dampfphasen im Gleichgewicht koexistieren. In der Praxis dieser Endung betragen die Temperaturunterschiede zwischen dem Blasenbildungspunkt und dem Taupunkt für das Kältemittel mit variabler Last mindestens 10°K, vorzugsweise mindestens 20°K und am bevorzugtesten mindestens 50°K.As used here, the Term "refrigerant with variable load " Mixture of two or more components in proportions so that the liquid phase of these components a continuous and increasing temperature change between the bubble point and the dew point of the mixture. The The bubble point of the mixture is the temperature at one given pressure at which the mixture is completely in the liquid phase is present, but an addition of warmth the formation of a vapor phase in equilibrium with the liquid phase triggers. The dew point of the mixture is that temperature for a given Pressure at which the mixture is completely in the vapor phase, however an extraction of heat the formation of a liquid phase in equilibrium with the vapor phase triggers. Thus, the temperature range is between the bubble point and the dew point of the mixture is the area in which both liquid how vapor phases coexist in equilibrium. In practice this Ending are the temperature differences between the bubble point and the dew point for the refrigerant with variable load at least 10 ° K, preferably at least 20 ° K and most preferably at least 50 ° K.

Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "Fluorkohlenwasserstoff' einen der folgenden Stoffe: Tetrafluormethan (CF4), Perfluorethan (C2F6), Perfluorpropan (C3F8), Perfluorbutan (C4F10), Perfluorpentan (C5F12), Perfluorethen (C2F4), Perfluorpropen (C3F6), Perfluorbuten (C4F8), Perfluorpenten (C5F10), Hexafluorcyclopropan (cyclo-C3F6) und Octafluorcyclobutan (cyclo-C4F8).As used herein, the term "fluorocarbon" denotes one of the following: tetrafluoromethane (CF 4 ), perfluoroethane (C 2 F 6 ), perfluoropropane (C 3 F 8 ), perfluorobutane (C 4 F 10 ), perfluoropentane (C 5 F 12 ), Perfluoroethene (C 2 F 4 ), perfluoropropene (C 3 F 6 ), perfluorobutene (C 4 F 8 ), perfluoropentene (C 5 F 10 ), hexafluorocyclopropane (cyclo-C 3 F 6 ) and octafluorocyclobutane (cyclo-C 4 F 8 ).

Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "Hydrofluorkohlenwasserstoff' einen der folgenden Stoffe: Fluoroform (CHF3), Pentafluorethan (C2HF5), Tetrafluorethan (C2H2F4), Heptafluorpropan (C3HF7), Hexafluorpropan (C3H2F6), Pentafluorpropan (C3H3F5), Tetrafluorpropan (C3H4F4), Nonafluorbutan (C4HF9), Octafluorbutan (C4H2F8), Undecafluorpentan (C5HF11), Methylfluorid (CH3F), Difluormethan (CH2F2), Ethylfluorid (C2H5F), Difluorethan (C2H4F2) , Trifluorethan (C2H3F3), Difluorethen (C2H2F2), Trifluorethen (C2HF3), Fluorethen (C2H3F), Pentafluorpropen (C3HF5), Tetrafluorpropen (C3H2F4), Trifluorpropen (C3H3F3), Difluorpropen (C3H4F2), Heptafluorbuten (C4HF7), Hexafluorbuten (C4H2F6) und Nonafluorpenten (C5HF9).As used herein, the term "hydrofluorocarbon" means one of the following: Fluoroform (CHF 3 ), pentafluoroethane (C 2 HF 5 ), tetrafluoroethane (C 2 H 2 F 4 ), heptafluoropropane (C 3 HF 7 ), hexafluoropropane (C 3 H 2 F 6 ), pentafluoropropane (C 3 H 3 F 5 ), Tetrafluoropropane (C 3 H 4 F 4 ), nonafluorobutane (C 4 HF 9 ), octafluorobutane (C 4 H 2 F 8 ), undecafluoropentane (C 5 HF 11 ), methyl fluoride (CH 3 F), difluoromethane (CH 2 F 2 ), ethyl fluoride (C 2 H 5 F), difluoroethane (C 2 H 4 F 2 ), trifluoroethane (C 2 H 3 F 3 ), difluoroethene (C 2 H 2 F 2 ), trifluoroethene (C 2 HF 3 ), Fluoroethene (C 2 H 3 F), pentafluoropropene (C 3 HF 5 ), tetrafluoropropene (C 3 H 2 F 4 ), trifluoropropene (C 3 H 3 F 3 ), difluoropropene (C 3 H 4 F 2 ), heptafluorobutene (C 4 HF 7 ), hexafluorobutene (C 4 H 2 F 6 ) and nonafluoropentene (C 5 HF 9 ).

Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "Hydrochlorfluorkohlenwasserstoff' einen der folgenden Stoffe: Chlordifluormethane (CHClF2), Chlorfluormethan (CH2ClF), Chlormethan (CH3Cl), Dichlorfluormethan (CHCl2F), Chlortetrafluorethan (C2HClF4), Chlortrifluorethan (C2H2ClF3), Chlordifluorethan (C2H3ClF2), Chlorfluorethan (C2H4ClF), Chlorethan (C2H5Cl), Dichlortrifluorethan (C2HCl2F3), Dichlordifluorethan (C2H2Cl2F2), Dichlorfluorethan (C2H3Cl2F), Dichlorethan (C2H4Cl2), Trichlorfluorethan (C2H2Cl3F), Trichlordifluorethan (C2HCl3F2), Trifluorethan (C2H3Cl3), Tetrachlorfluorethan (C2HCl4F), Chlorethen (C2H3Cl2), Difluorethen (C2H2Cl2), Dichlorfluorethen (C2H2ClF) und Dichlordifluorethen (C2HClF2).As used herein, the term "hydrochlorofluorocarbon" denotes one of the following: chlorodifluoromethane (CHClF 2 ), chlorofluoromethane (CH 2 ClF), chloromethane (CH 3 Cl), dichlorofluoromethane (CHCl 2 F), chlorotetrafluoroethane (C 2 HClF 4 ), chlorotrifluoroethane (C 2 H 2 ClF 3 ), chlorodifluoroethane (C 2 H 3 ClF 2 ), chlorofluoroethane (C 2 H 4 ClF), chloroethane (C 2 H 5 Cl), dichlorotrifluoroethane (C 2 HCl 2 F 3 ), dichlorodifluoroethane (C 2 H 2 Cl 2 F 2 ), dichlorofluoroethane (C 2 H 3 Cl 2 F), dichloroethane (C 2 H 4 Cl 2 ), trichlorofluoroethane (C 2 H 2 Cl 3 F), trichlorodifluoroethane (C 2 HCl 3 F 2 ) , Trifluoroethane (C 2 H 3 Cl 3 ), tetrachlorofluoroethane (C 2 HCl 4 F), chloroethene (C 2 H 3 Cl 2 ), difluoroethene (C 2 H 2 Cl 2 ), dichlorofluoroethene (C 2 H 2 ClF) and dichlorodifluoroethene (C 2 HClF 2 ).

Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "Fluorether" einen der folgenden Stoffe:: Trifluormethyoxyperfluormethan (CF3-O-CF3), Difluormethoxy-perfluormethan (CHF2-O-CF3), Fluormethoxy-perfluormethan (CH2F-O-CF3), Difluormethoxy-difluormethan (CHF2-O-CHF2), Difluormethoxy-Perfluorethan (CHF2-O-C2F5), Difluormethoxy-1,2,2,2-tetrafluorethan (CHF2-O-C2HF4), Difluormethoxy-1,1,2,2-tetrafluorethan (CHF2-O-C2HF4), Perfluorethoxyfluormethan (C2F5-O-CH2F), Perfluor-methoxy-1,1,2-trifluorethan (CF3-O-C2H2F3), Perfluormethoxy-1,2,2-trifluorethan (CF3O-C2H2F3), Cyclo-1,1,2,2-tetrafluorpropylether (cyclo-C3H2F4-O-), Cyclo-1,1,3,3-tetrafluorpropylether (cyclo-C3H2F4-O-), Perfluormethoxy-,1,1,2,2-tetrafluorethan (CF3-O-C2HF4), Cyclo-1,1,2,3,3-pentafluorpropylether (cycloC3H5-O-), Perfluormethoxy-perfluoraceton (CF3-O-CF2-O-CF3), Perfluomethoxy-Perfluorethan (CF3-O-C2F5), Perfluormethoxy-1,2,2,2-tetrafluorethan (CF3-O-C2HF4), Perfluoromethoxy-2,2,2-trifluorethan (CF3-O-C2H2F3), Cyclo-perfluormethoxy-perfluoraceton (cyclo-CF2-O-CF2-O-CF2-) und Cyclo-perfluorpropylether (cycloC3F6-O).As used herein, the term "fluoroether" means one of the following: trifluoromethyoxyperfluoromethane (CF 3 -O-CF 3 ), difluoromethoxy-perfluoromethane (CHF 2 -O-CF 3 ), fluoromethoxy-perfluoromethane (CH 2 FO-CF 3 ) , Difluoromethoxy-difluoromethane (CHF 2 -O-CHF 2 ), difluoromethoxy-perfluoroethane (CHF 2 -OC 2 F 5 ), difluoromethoxy-1,2,2,2-tetrafluoroethane (CHF 2 -OC 2 HF 4 ), difluoromethoxy- 1,1,2,2-tetrafluoroethane (CHF 2 -OC 2 HF 4 ), perfluoroethoxyfluoromethane (C 2 F 5 -O-CH 2 F), perfluoro-methoxy-1,1,2-trifluoroethane (CF 3 -OC 2 H 2 F 3 ), perfluoromethoxy-1,2,2-trifluoroethane (CF 3 OC 2 H 2 F 3 ), cyclo-1,1,2,2-tetrafluoropropyl ether (cyclo-C 3 H 2 F 4 -O-) , Cyclo-1,1,3,3-tetrafluoropropyl ether (cyclo-C 3 H 2 F 4 -O-), perfluoromethoxy-, 1,1,2,2-tetrafluoroethane (CF 3 -OC 2 HF 4 ), cyclo- 1,1,2,3,3-pentafluoropropyl ether (cycloC 3 H 5 -O-), perfluoromethoxy-perfluoroacetone (CF 3 -O-CF 2 -O-CF 3 ), perfluomethoxy-perfluoroethane (CF 3 -OC 2 F 5 ), Perfluoromethoxy-1,2,2,2-tetrafluoroethane (CF 3 -O C 2 HF 4 ), perfluoromethoxy-2,2,2-trifluoroethane (CF 3 -OC 2 H 2 F 3 ), cyclo-perfluoromethoxy-perfluoroacetone (cyclo-CF 2 -O-CF 2 -O-CF 2 -) and Cyclo-perfluoropropyl ether (cycloC 3 F 6 -O).

Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "atmosphärisches Gas" einen der folgenden Stoffe: Stickstoff (N2), Argon (Ar), Krypton (Kr), Xenon (Xe), Neon (Ne), Kohlendioxid (CO2), Sauerstoff (O2) und Helium (He).As used herein, the term "atmospheric gas" means one of the following: nitrogen (N 2 ), argon (Ar), krypton (Kr), xenon (Xe), neon (Ne), carbon dioxide (CO 2 ), oxygen (O 2 ) and helium (He).

Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "Kohlenwasserstoff' einen der folgenden Stoffe: Wasserstoff (H2), Methan (CH4), Ethan (C2H6), Ethen (C2H4), Propan (C3H8), Propen (C3H6), Butan (C4H10), Buten (C4H8), Cyclopropan (C3H6) und Cyclobutan (C4H8).As used herein, the term "hydrocarbon" refers to one of the following: hydrogen (H 2 ), methane (CH 4 ), ethane (C 2 H 6 ), ethene (C 2 H 4 ), propane (C 3 H 8 ), Propene (C 3 H 6 ), butane (C 4 H 10 ), butene (C 4 H 8 ), cyclopropane (C 3 H 6 ) and cyclobutane (C 4 H 8 ).

Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "nicht toxisch" die nicht bestehende Gefahr eines akuten oder ständigen Gesundheitsrisikos im Umgang eines Stoffes innerhalb akzeptabler Expositionsgrenzen.As used here, the Term "non-toxic" the nonexistent Risk of an acute or constant Health risks in handling a substance within acceptable Exposure limits.

Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "nicht entflammbar" das Vorliegen keines oder eines sehr hohen Flammpunkts von mindestens 600°K.As used here, the The term "non-flammable" means none or a very high flash point of at least 600 ° K.

Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "gering ozonabreichernd" ein ozonabreicherndes Potenzial von weniger als 0,15 gemäß der Montrealer Protokollkonvention, bei der Dichlorfluormethan (CCl2F2) ein ozonabreicherndes Potenzial von 1,0 aufweist.As used herein, the term "low ozone depleting" means an ozone depleting potential of less than 0.15 according to the Montreal Protocol Convention, where dichlorofluoromethane (CCl 2 F 2 ) has an ozone depleting potential of 1.0.

Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "nicht ozonabreichernd", dass keine Komponente vorliegt, die ein Chlor-, Brom- oder Jodatom aufweist.As used here, the Term "non ozone depleting" that no component is present, which has a chlorine, bromine or iodine atom.

Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "normaler Siedepunkt" die Siedetemperatur bei 1 Standardatmosphärendruck, d.h. 14,696 pound pro inch2 absolut.As used herein, the term "normal boiling point" refers to the boiling temperature at 1 standard atmospheric pressure, ie 14.696 pounds per inch 2 absolute.

Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "kryogene Temperatur" eine Temperatur von 150°K oder weniger.As used here, the Term "cryogenic Temperature "a Temperature of 150 ° K Or less.

Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "indirekter Wärmeaustausch" das Verbringen von zwei Fluiden in eine Wärmeaustauschbeziehung ohne jeglichen physikalischen Kontakt oder ein Vermischen der Fluide miteinander.As used here, the Term "indirect Heat exchange "the spending of two fluids in a heat exchange relationship without any physical contact or mixing of the fluids together.

Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "Expansion" die Bewirkung einer Druckreduktion.As used here, the Term "expansion" the effect of a Pressure reduction.

Wie hier verwendet bezeichnen die Begriffe "Turboexpansion" und "Turboexpander" ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung für den Durchfluss von Hochdruckfluid durch eine Turbine, um den Druck und die Temperatur des Fluids zu verringern, wodurch Kälte erzeugt wird.As used here, denote the Terms "Turboexpansion" and "Turboexpander" a process or a device for the flow of high pressure fluid through a turbine to the pressure and reduce the temperature of the fluid, thereby creating cold becomes.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenShort description of the drawings

1 ist ein verallgemeinertes Diagramm der Temperatur gegenüber der Konzentration für ein Kältemittelgemisch mit variabler Last bei einem gegebenen Druck. 1 Fig. 3 is a generalized graph of temperature versus concentration for a mixed load refrigerant mixture at a given pressure.

2 ist eine schematische Darstellung eines Systems, in dem die Erfindung anwendbar ist. 2 Figure 3 is a schematic illustration of a system in which the invention is applicable.

3 ist eine schematische Darstellung eines weiteren Systems, in dem die Erfindung anwendbar ist. 3 Figure 3 is a schematic representation of another system in which the invention is applicable.

4 ist eine schematische Darstellung eines Dreischleifensystems, in dem die Erfindung zur Bereitstellung von Kälte über einen großen Temperaturbereich hinweg verwendet werden kann. 4 Figure 3 is a schematic illustration of a three-loop system in which the invention can be used to provide cold over a wide temperature range.

Ausführliche BeschreibungFull description

Die Erfindung weist ein aus festgelegten Komponenten in bestimmten Anteilen zusammengesetztes Kältemittelgemisch, das ein Kältemittelgemisch mit variabler Last ausbildet, sowie die Verwendung eines derartigen Kältemittelgemisches in einem Kühlzyklus auf. Das Kältemittelgemisch mit variabler Last kann in sämtlichen Gas, Gas-Flüssigkeits- oder allen Flüssigphasen in Abhängigkeit von dem Verfahren und der Stelle in dem Verfahren vorliegen, d.h. der Wärmeaustauschstelle (oben, mittig, unten). Vorzugsweise ist der Zyklus ein Closed-Loop-Zyklus. Das Kältemittelgemisch mit variabler Last zeigt eine glatte Temperaturveränderung, die eine Phasenveränderung begleitet. Dies ist in 1 demonstriert, das ein Diagramm der Temperatur gegenüber der Konzentration eines Kältemittelgemisches mit variabler Last bei einem gegebenen Druck ist. Für jedes gegebene Gemisch aus Komponenten A und B (xmix) bei einer Temperatur (tmix) liegen zwei Phasen vor, die Zusammensetzung des gesättigten Dampfs (xmixv) unterscheidet sich von derjenigen der im Gleichgewicht mit dem Dampf vorliegenden Flüssigkeit, und die Flüssigkeit weist die Zusammensetzung (xmixl) auf. Bei einer Temperaturverringerung verändern sich sowohl die Flüssigphasenzusammensetzung wie die Dampfphasenzusammensetzung, wobei beide in der Komponente B angereichert werden. Das kondensierende Gemisch verändert konstant seine Zusammensetzung und daher seine Kondensationstemperatur. Dieses Merkmal ermöglicht eine Verbesserung der Wirksamkeit eines Kühlzyklus. Die Zyklusverbesserung bezieht sich auf die Verwendung mehrerer Komponenten, die jeweils einen eigenen normalen Siedepunkt und eine zugeordnete latente Verdampfungswärme aufweisen. Die geeignete Auswahl der Kältemittelkomponenten und die optimalen Konzentrationen in dem Gemisch ermöglichen zusammen mit Betriebsdruckpegeln und Kältemittelzyklen die Erzeugung variabler Mengen von Kälte über den erforderlichen Temperaturbereich hinweg. Die Bereitstellung der variablen Kälte als eine Funktion der Temperatur ermöglicht die optimale Steuerung von Wärmeaustausch-Temperaturunterschieden innerhalb des Anwenderkühlsystems und reduziert dadurch die Systemenergieanforderungen.The invention has a refrigerant mixture composed of defined components in certain proportions, which forms a refrigerant mixture with a variable load, and the use of such a refrigerant mixture in a cooling cycle. The variable load refrigerant mixture can be in all gas, gas-liquid or liquid phases depending on the process and the location in the process, ie the heat exchange point (top, center, bottom). The cycle is preferably a closed-loop cycle. The refrigerant mixture with variable load shows a smooth temperature change that accompanies a phase change. This is in 1 demonstrated that is a graph of temperature versus concentration of a mixed load refrigerant mixture at a given pressure. For any given mixture of components A and B (xmix) at one temperature (tmix) there are two phases, the composition of the saturated vapor (xmixv) differs from that of the liquid in equilibrium with the vapor, and the liquid has the composition (xmixl) on. When the temperature is reduced, both the liquid phase composition and the vapor phase composition change, both of which are enriched in component B. The condensing mixture constantly changes its composition and therefore its condensation temperature. This feature enables the effectiveness of a cooling cycle to be improved. The cycle improvement relates to the use of several components, each with its own normal boiling point and an associated latent heat of vaporization. The appropriate selection of refrigerant components and the optimal concentrations in the mixture, together with operating pressure levels and refrigerant cycles, enable the generation of variable amounts of cold over the required temperature range. Providing variable cooling as a function of temperature enables optimal control of heat exchange temperature differences within the user cooling system, thereby reducing system energy requirements.

Das Kältemittelgemisch mit variabler Last dieser Erfindung weist mindestens eine Komponente aus der aus Fluorkohlenwasserstoffen, Hydrofluorkohlenwasserstoffen und Fluorethern bestehenden Gruppe und mindestens eine Komponente aus der aus Fluorkohlenwasserstoffen, Hydrofluorkohlenwasserstoffen, Fluorethern und atmosphärischen Gasen bestehenden Gruppe auf.The refrigerant mixture with variable Last of this invention features at least one component from the Fluorocarbons, hydrofluorocarbons and fluoroethers existing group and at least one component from the group consisting of fluorocarbons, Hydrofluorocarbons, fluoroethers and atmospheric Gases existing group on.

Ein bevorzugtes Kältemittelgemisch mit variabler Last dieser Erfindung weist mindestens zwei Komponenten aus der aus Fluorkohlenwasserstoffen, Hydrofluorkohlenwasserstoffen und Fluorethern bestehenden Gruppe und mindestens eine Komponente aus der aus Fluorkohlenwasserstoffen, Hydrofluorkohlenwasserstoffen, Fluorethern, und atmosphärischen Gasen bestehenden Gruppe auf.A preferred refrigerant mixture with variable Load of this invention has at least two components from the from fluorocarbons, hydrofluorocarbons and Fluorether existing group and at least one component made of fluorocarbons, hydrofluorocarbons, Fluoroethers, and atmospheric Gases existing group on.

Ein weiteres bevorzugtes Kältemittelgemisch mit variabler Last dieser Erfindung weist mindestens einen Fluorkohlenwasserstoff und mindestens eine Komponente aus der aus Hydrofluorkohlenwasserstoffen und atmosphärischen Gasen bestehenden Gruppe auf.Another preferred refrigerant mixture with variable load of this invention has at least one fluorocarbon and at least one component from that of hydrofluorocarbons and atmospheric Gases existing group on.

Ein weiteres bevorzugtes Kältemittelgemisch mit variabler Last dieser Erfindung weist mindestens einen Fluorkohlenwasserstoff, mindestens einen Hydrofluorkohlenwasserstoff und mindestens ein atmosphärisches Gas auf.Another preferred refrigerant mixture variable load of this invention has at least one fluorocarbon, at least one hydrofluorocarbon and at least one atmospheric Gas on.

Ein weiteres bevorzugtes Kältemittelgemisch mit variabler Last dieser Erfindung weist mindestens drei Komponenten aus der aus Fluorkohlenwasserstoffen, Hydrofluorkohlenwasserstoffen und Fluorethern bestehenden Gruppe und mindestens eine Komponente aus der aus Fluorkohlenwasserstoffen, Hydrofluorkohlenwasserstoffen, Fluorethern und atmosphärischen Gasen bestehenden Gruppe auf.Another preferred refrigerant mixture with variable load of this invention has at least three components from that of fluorocarbons, hydrofluorocarbons and fluoroethers existing group and at least one component made from fluorocarbons, hydrofluorocarbons, Fluoroethers and atmospheric Gases existing group on.

Ein weiteres bevorzugtes Kältemittelgemisch mit variabler Last dieser Erfindung weist mindestens zwei Komponenten aus der aus Fluorkohlenwasserstoffen, Hydrofluorkohlenwasserstoffen und Fluorethern bestehenden Gruppe und mindestens ein atmosphärisches Gas auf.Another preferred refrigerant mixture with variable load of this invention has at least two components from that of fluorocarbons, hydrofluorocarbons and fluoroethers existing group and at least one atmospheric Gas on.

Ein weiteres bevorzugtes Kältemittelgemisch mit variabler Last dieser Erfindung weist mindestens zwei Komponenten aus der aus Fluorkohlenwasserstoffen, Hydrofluorkohlenwasserstoffen und Fluorethern bestehenden Gruppe, mindestens ein atmosphärisches Gas und mindestens eine Komponente aus der aus Fluorkohlenwasserstoffen, Hydrofluorkohlenwasserstoffen, Fluorethern und atmosphärischen Gasen bestehenden Gruppe auf.Another preferred refrigerant mixture with variable load of this invention has at least two components from that of fluorocarbons, hydrofluorocarbons and fluoroethers existing group, at least one atmospheric Gas and at least one component made from fluorocarbons, Hydrofluorocarbons, fluoroethers and atmospheric Gases existing group on.

Ein weiteres bevorzugtes Kältemittelgemisch mit variabler Last dieser Erfindung weist mindestens zwei Komponenten aus der aus Fluorkohlenwasserstoffen, Hydrofluorkohlenwasserstoffen und Fluorethern bestehenden Gruppe und mindestens zwei verschiedene atmosphärische Gasen auf.Another preferred refrigerant mixture with variable load of this invention has at least two components from that of fluorocarbons, hydrofluorocarbons and fluoroethers existing group and at least two different atmospheric Gases on.

Ein weiteres bevorzugtes Kältemittelgemisch mit variabler Last dieser Erfindung beinhaltet mindestens ein Fluorether, d.h. es weist mindestens ein Fluorether und mindestens eine Komponente aus der aus Fluorkohlenwasserstoffen, Hydrofluorkohlenwasserstoffen, Fluorethern und atmosphärischen Gasen bestehenden Gruppe auf.Another preferred refrigerant mixture variable load of this invention includes at least one fluoroether, i.e. it has at least one fluoroether and at least one component made from fluorocarbons, hydrofluorocarbons, Fluoroethers and atmospheric Gases existing group on.

Das Kältemittel mit variabler Last enthält weder Hydrochlorfluorkohlenwasserstoffe noch Kohlenwasserstoffe. Am bevorzugtesten ist das Kältemittel mit variabler Last nicht toxisch, nicht entflammbar und nicht ozonabreichernd, und jede Komponente des Kältemittelgemisches mit variabler Last ist entweder ein Fluorkohlenwasserstoff ein Hydrofluorkohlenwasserstoff ein Fluorether oder ein atmosphärisches Gas.The variable load refrigerant contains neither hydrochlorofluorocarbons nor hydrocarbons. Most preferably, the variable load refrigerant is non-toxic, non-flammable, and non-ozone depleting, and each component of the variable load refrigerant mixture is either a fluorine hydrocarbon a hydrofluorocarbon a fluoroether or an atmospheric gas.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht das Kältemittel mit variabler Last ausschließlich aus Fluorkohlenwasserstoffen. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht das Kältemittel mit variabler Last ausschließlich aus Fluorkohlenwasserstoffen und Hydrofluorkohlenwasserstoffen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht das Kältemittel mit variabler Last ausschließlich aus Fluorkohlenwasserstoffen und atmosphärischen Gasen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht das Kältemittel mit variabler Last ausschließlich aus Fluorkohlenwasserstoffen, Hydrofluorkohlenwasserstoffen und Fluorethern. In noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht das Kältemittel mit variabler Last ausschließlich aus Fluorkohlenwasserstoffen, Fluorethern und atmosphärischen Gasen. Am bevorzugte sten ist jede Komponente des Kältemittels mit variabler Last entweder ein Fluorkohlenwasserstoff, ein Hydrofluorkohlenwasserstoff, ein Fluorether oder ein Atmosphärengas.In a preferred embodiment the refrigerant of the invention with variable load only from fluorocarbons. In another preferred embodiment the refrigerant of the invention with variable load only from fluorocarbons and hydrofluorocarbons. In a further preferred embodiment of the invention the refrigerant with variable load only from fluorocarbons and atmospheric gases. In another preferred embodiment the refrigerant of the invention with variable load only from fluorocarbons, hydrofluorocarbons and Fluoroethers. In yet another preferred embodiment the refrigerant of the invention with variable load only from fluorocarbons, fluoroethers and atmospheric Gases. Most preferred is each component of the refrigerant with variable load either a fluorocarbon, a hydrofluorocarbon, a fluoroether or an atmospheric gas.

Die Erfindung ist besonders vorteilhaft anwendbar, um auf effiziente Weise kryogene Temperaturen ausgehend von Umgebungstemperaturen zu erreichen. Die Tabellen 1–14 führen bevorzugte Beispiele von Kältemittelgemischen mit variabler Last dieser Erfindung an. Die in den Tabellen angegebenen Konzentrationsbereiche sind in Mol.%. Die in den Tabellen 1–5 dargestellten Beispiele sind bevorzugte Gemische zum Erzeugen von Kälte über etwa 200°K und die in den Tabellen 6–14 gezeigten Beispiele sind bevorzugte Gemische zum Erzeugen von Kälte unter etwa 200°K.The invention is particularly advantageous applicable to efficiently starting cryogenic temperatures of reaching ambient temperatures. Tables 1-14 list preferred ones Examples of refrigerant mixtures with variable load of this invention. The given in the tables Concentration ranges are in mol%. The ones shown in Tables 1-5 Examples are preferred mixtures for generating cold over about 200 ° K and those in Tables 6-14 Examples shown are preferred mixtures for generating cold under about 200 ° K.

Tabelle 1 Komponente Konzentrationsbereich C5F12 5–35 C4F10 0–25 C3F8 10–50 C2F6 10–60 CF4 0–25 Table 1 component concentration range C 5 F 12 5-35 C 4 F 10 0-25 C 3 F 8 10-50 C 2 F 6 10-60 CF 4 0-25

Tabelle 2 Komponente Konzentrationsbereich C5F12 5–35 C3H3F6 0–25 C3F8 10–50 CHF3 10–60 CF4 0–25 Table 2 component concentration range C 5 F 12 5-35 C 3 H 3 F 6 0-25 C 3 F 8 10-50 CHF 3 10-60 CF 4 0-25

Tabelle 3 Komponente Konzentrationsbereich C3H3F5 5–35 C3H3F6 0–25 C2H2F4 5–20 C2HF5 5–20 C2F6 10–60 CF4 0–25 Table 3 component concentration range C 3 H 3 F 5 5-35 C 3 H 3 F 6 0-25 C 2 H 2 F 4 5-20 C 2 HF 5 5-20 C 2 F 6 10-60 CF 4 0-25

Tabelle 4 Komponente Konzentrationsbereich CHF2-O-C2HF4 5–35 C4F10 0–25 CF3-O-CHF2 10–25 CF3-O-CF3 0–20 C2F6 10–60 CF4 0–25 Table 4 component concentration range CHF 2 -OC 2 HF 4 5-35 C 4 F 10 0-25 CF 3 -O-CHF 2 10-25 CF 3 -O-CF 3 0-20 C 2 F 6 10-60 CF 4 0-25

Tabelle 5 Komponente Konzentrationsbereich CHF2-O-C2HF4 5–35 C3H2F6 0–25 CF3-O-CHF2 10–50 CHF3 10–60 CF4 0–25 Table 5 component concentration range CHF 2 -OC 2 HF 4 5-35 C 3 H 2 F 6 0-25 CF 3 -O-CHF 2 10-50 CHF 3 10-60 CF 4 0-25

Tabelle 6 Komponente Konzentrationsbereich C5F12 5–25 C4F10 0–15 C3F8 10–40 C2F6 0–30 CF4 10–50 Ar 0–40 N2 10–80 Table 6 component concentration range C 5 F 12 5-25 C 4 F 10 0-15 C 3 F 8 10-40 C 2 F 6 0-30 CF 4 10-50 Ar 0-40 N 2 10-80

Tabelle 7 Komponente Konzentrationsbereich C3H3F5 5–25 C4F10 0–15 C3F8 10–40 CHF3 0–30 CF4 10–50 Ar 0–40 N2 10–80 Table 7 component concentration range C 3 H 3 F 5 5-25 C 4 F 10 0-15 C 3 F 8 10-40 CHF 3 0-30 CF 4 10-50 Ar 0-40 N 2 10-80

Tabelle 8 Komponente Konzentrationsbereich C3H3F5 5–25 C3H3F6 0–15 C2H2F4 0–20 C2HF5 5–20 C2F6 0–30 CF4 10–50 Ar 0–40 N2 10–80 Table 8 component concentration range C 3 H 3 F 5 5-25 C 3 H 3 F 6 0-15 C 2 H 2 F 4 0-20 C 2 HF 5 5-20 C 2 F 6 0-30 CF 4 10-50 Ar 0-40 N 2 10-80

Tabelle 9 Komponente Konzentrationsbereich C3H3F5 5–25 C3H2F6 0–15 CF3-O-CHF2 10–40 CHF3 0–30 CF4 0–25 Ar 0–40 N2 10–80 Table 9 component concentration range C 3 H 3 F 5 5-25 C 3 H 2 F 6 0-15 CF 3 -O-CHF 2 10-40 CHF 3 0-30 CF4 0-25 Ar 0-40 N 2 10-80

Tabelle 10 Komponente Konzentrationsbereich C5F12 5–25 C4F10 0–15 C3F8 10–40 C2F6 0–30 CF4 10–50 Ar 0–40 N2 10–80 Ne 0–10 He 0–10 Table 10 component concentration range C 5 F 12 5-25 C 4 F 10 0-15 C 3 F 8 10-40 C 2 F 6 0-30 CF 4 10-50 Ar 0-40 N 2 10-80 ne 0-10 He 0-10

Tabelle 11 Komponente Konzentrationsbereich C3H3F5 5–25 C4F10 0–15 C3F8 10–40 CHF3 0–30 CF4 10–50 Ar 0–40 N2 10–80 Ne 0–10 He 0–10 Table 11 component concentration range C 3 H 3 F 5 5-25 C 4 F 10 0-15 C 3 F 8 10-40 CHF 3 0-30 CF 4 10-50 Ar 0-40 N 2 10-80 ne 0-10 He 0-10

Tabelle 12 Komponente Konzentrationsbereich C3H3F5 5–25 C3H2F6 0–15 C2H2F4 5–20 C2HF5 5–20 C2F6 0–30 CF4 10–50 Ar 0–40 N2 10–80 Ne 0–10 He 0–10 Table 12 component concentration range C 3 H 3 F 5 5-25 C 3 H 2 F 6 0-15 C 2 H 2 F 4 5-20 C 2 HF 5 5-20 C 2 F 6 0-30 CF 4 10-50 Ar 0-40 N 2 10-80 ne 0-10 He 0-10

Tabelle 13 Komponente Konzentrationsbereich CHF2-O-C2HF4 5–25 C4F10 0–15 CF3-O-CHF2 10–40 CF3-O-CF3 0–20 C2F6 0–30 CF4 10–50 Ar 0–40 N2 10–80 Ne 0–10 He 0–10 Table 13 component concentration range CHF 2 -OC 2 HF 4 5-25 C 4 F 10 0-15 CF 3 -O-CHF 2 10-40 CF 3 -O-CF 3 0-20 C 2 F 6 0-30 CF 4 10-50 Ar 0-40 N 2 10-80 ne 0-10 He 0-10

Tabelle 14 Komponente Konzentrationsbereich C3H3F5 5–25 C3H2F6 0–15 CF3-O-CHF3 10–40 CHF3 0–30 CF4 0 – 25 Ar 0–40 N2 10–80 Ne 0–10 He 0–10 Table 14 component concentration range C 3 H 3 F 5 5-25 C 3 H 2 F 6 0-15 CF 3 -O-CHF 3 10-40 CHF 3 0-30 CF 4 0 - 25 Ar 0-40 N 2 10-80 ne 0-10 He 0-10

2 illustriert einen Kühlzyklus, in dem die Erfindung angewendet werden kann. Nun auf die 2 Bezug nehmend wird das Kältemittelgemisch mit variabler Last dieser Erfindung in einem Kühlkreislauf oder einer Kühlschleife 1 umgewälzt. Ein Kältemittel 2 wird mittels Durchleiten durch einen Kompressor 3 zur Ausbildung eines komprimiertem Kältemittelfluids 4 verdichtet, mittels Durchleiten durch einen Nachkühler 70 auf nahe Umgebungstemperatur abgekühlt, und anschließend gekühlt und vorzugsweise mindestens teilweise mittels Durchleiten durch einen Wärmetauscher 5 verflüssigt. Solange nicht anders angegeben ist jeder in den Zeichnungen illustrierter Wärmeaustauschschritt ein indirekter Wärmeaustauschschritt. Danach wird ein gekühltes Kältemittel 6 gedrosselt, d.h. durch ein Ventil 7 auf einen geringeren Druck expandiert. Die Druckexpansion kann durch eine Turbine wie z.B. eine Gasexpansionseine Zweiphasenexpansions- oder eine Flüssigkeitsexpansions-Turbine bewerkstelligt werden. Die erzeugte Kälte kann bei einem einzelnen oder engen Temperaturpegel verwendet werden, indem ein Fluid 8 durch indirekten Wärmeaustausch in einem Wärmetauscher 9 gekühlt wird, oder sie kann in dem Wärmetauscher 5 über einen viel größeren Temperaturbereich hinweg benutzt werden. Die Kälte kann zum Kühlen eines oder mehrerer Fluidströme verwendet werden, der/die durch den Wärmetauscher 5 laufen, wie durch einen Strom in einem Gegenstrom 10 und in einem Gleichstrom 11 dargestellt. Obgleich es auf einer gesamten Basis so dargestellt ist, dass der Strom 11 in dem Wärmetauscher 5 erwärmt wird, kann er auf einer lokalen Basis innerhalb des Wärmetauschers 5 gekühlt werden. Anschließend wird das sich ergebende erwärmte Kältemittelgemisch als der Strom 2 zu dem Kompressor 3 geleitet und der Zyklus wiederholt sich. 2 illustrates a cooling cycle in which the invention can be applied. Now on the 2 Referring to the variable load refrigerant mixture of this invention, in a refrigeration cycle or loop 1 circulated. A refrigerant 2 is by passing through a compressor 3 to form a compressed refrigerant fluid 4 compressed by passing it through an aftercooler 70 cooled to near ambient temperature, and then cooled and preferably at least partially by passing it through a heat exchanger 5 liquefied. Unless otherwise stated, each heat exchange step illustrated in the drawings is an indirect heat exchange step. After that, a refrigerant is refrigerated 6 throttled, ie by a valve 7 expanded to a lower pressure. Pressure expansion can be accomplished by a turbine such as gas expansion, a two-phase expansion, or a liquid expansion turbine. The cold generated can be used at a single or narrow temperature level by a fluid 8th through indirect heat exchange in a heat exchanger 9 is cooled, or it can be in the heat exchanger 5 can be used over a much wider temperature range. The cold can be used to cool one or more fluid flows through the heat exchanger 5 run as if through a current in a countercurrent 10 and in a direct current 11 shown. Although it is presented on an overall basis that the current 11 in the heat exchanger 5 is heated, it can be on a local basis within the heat exchanger 5 be cooled. Subsequently, the resulting heated refrigerant mixture is called the stream 2 to the compressor 3 and the cycle repeats itself.

Die Kühlanordnung könnte ebenfalls einen Vorkühlerkreislauf oder eine Vorkühlerschleife 12 beinhalten, wo ein zur Bereitstellung von Kälte bei Zwischentemperaturpegeln ausgelegtes Kältemittelgemisch mit variabler Last 13 dieser Erfindung in einem Vorkühlerkompressor 14 verdichtet, in einem Nachkühler 71 auf Umgebungstemperatur gekühlt, und ein resultierendes komprimiertes Fluid 15 in dem Wärmetauscher 5 gekühlt wird. Das sich ergebende gekühlte Fluid 16 wird durch ein Ventil oder eine geeignete Turbine 17 zur Erzeugung von Kälte gedrosselt und ein sich ergebendes Kältemittel 18 mit niedrigerer Temperatur wird erwärmt und anschließend als der Strom 13 zu dem Kompressor 14 umgewälzt.The cooling arrangement could also have a pre-cooler circuit or loop 12 include where a refrigerant mixture with variable load designed to provide cold at intermediate temperature levels 13 of this invention in a pre-cooler compressor 14 compressed, in an aftercooler 71 cooled to ambient temperature, and a resulting compressed fluid 15 in the heat exchanger 5 is cooled. The resulting chilled fluid 16 is through a valve or a suitable turbine 17 throttled to produce cold and a resulting refrigerant 18 with lower temperature is heated and then as the current 13 to the compressor 14 circulated.

Der Effekt der Vorkühlerschleife kann durch eine Zwischenentfernung eines Teils des Kältemittelgemisches und einer Rückführung von Flüssigkeit wie in 3 dargestellt bewerkstelligt werden. Das Flüssigkeitsrückführungsmerkmal stellt eine Verfahrensflexibilität bereit, da die Kältemittelgemische an die erforderlichen Temperaturbereiche angepasst und ein unnötiges Kühlen sowie ein potenzielles Einfrieren des flüssigen Kältemittels vermieden werden. Die Bezugszeichen in 3 sind für die allgemeinen Elemente die gleichen wie denjenigen in 2 und diese Elemente werden nicht erneut ausführlich beschrieben werden. Nun auf die 3 Bezug nehmend wird ein Kältemittel 20 mittels Durchleiten durch einen Kompressor 21 zur Ausbildung eines komprimierten Kältemittels 22 verdichtet, welches durch einen Nachkühler 71 von der Kompressionswärme auf nahe Umgebungstemperatur abgekühlt und anschließend durch einen teilweisen Durchgang durch den Wärmetauscher 5 weiter gekühlt und teilweise kondensiert wird. Ein gekühltes zweiphasiges Kältemittelgemisch 23 wird in einen Phasenseparator 24 eingespeist, wo es in Dampf und Flüssigkeit getrennt wird. Ein Dampf 25 wird durch den Wärmetauscher 5 weiter gekühlt, durch ein Ventil 26 gedrosselt und mittels Durchleiten durch die Wärmetauscher 9 und/oder 5 erwärmt. Eine Flüssigkeit 27 wird durch ein Ventil 28 geführt und danach mittels Durchleiten durch den Wärmetauscher 5 verdampft. In der in der 3 dargestellten Ausführungsform wird die Flüssigkeit mit dem Dampf mit niedrigerem Druck kombiniert, welcher durch das Ventil 26 vor der Verdampfung gedrosselt wurde. Das resultierende erwärmte Kältemittelgemisch wird anschließend als ein Strom 29 zu dem Kompressor 21 zurückgeführt und der Kühlzyklus beginnt von neuem. Obgleich eine Einphasentrennung illustriert ist, versteht sich, dass auch Mehrphasentrennungen bei unterschiedlichen Temperaturpegeln verwendet werden könnten, um abgestufte Vorkühlkreisläufe bereitzustellen.The effect of the pre-cooler loop can be achieved by intermediate removal of part of the refrigerant mixture and recycling of liquid as in 3 shown to be accomplished. The liquid recirculation feature provides process flexibility because the refrigerant blends are adjusted to the required temperature ranges and unnecessary cooling and potential freezing of the liquid refrigerant are avoided. The reference numerals in 3 are the same for the general elements as those in 2 and these elements will not be described in detail again. Now on the 3 A refrigerant is used 20 by passing through a compressor 21 to form a compressed refrigerant 22 compressed by an aftercooler 71 cooled from the compression heat to near ambient temperature and then through a partial passage through the heat exchanger 5 is further cooled and partially condensed. A refrigerated two-phase refrigerant mixture 23 becomes a phase separator 24 fed where it is separated into vapor and liquid. A steam 25 is through the heat exchanger 5 further cooled, through a valve 26 throttled and by passing through the heat exchanger 9 and / or 5 heated. A liquid 27 is through a valve 28 guided and then by passing through the heat exchanger 5 evaporated. In the in the 3 In the illustrated embodiment, the liquid is combined with the lower pressure vapor passing through the valve 26 was throttled before evaporation. The resulting heated refrigerant mixture is then called a stream 29 to the compressor 21 returned and the cooling cycle starts again. Although single-phase separation is illustrated, it is understood that multi-phase separations at different temperature levels could also be used to provide graded pre-cooling circuits.

Die Erfindung ist besonders nützlich, um Kälte ausgehend von Umgebungstemperatur bis hinunter zu einer kryogenen Temperatur bereitzustellen, deren Pegel bis hinunter zu 5°K ausfallen kann. Obwohl die Erfindung zur Bereitstellung einer derartigen Kälte über diesen gesamten Temperaturbereich hinweg in einer einzelnen Schleife verwendet werden kann, ist es im allgemeinen bevorzugt, diese Kälte in einer Mehrzahl von Kaskadenschleifen bereitzustellen. Die Verwendung mehrerer Kaskadenschleifen ermöglicht es, dass jeder Kreislauf Kälte über einen ausgewählten Temperaturbereich bereitstellen kann. Dadurch wird die Auswahl eines geeigneten Kältemittelgemisches erleichtert, da das ausgewählte Gemisch nur über einen begrenzteren Temperaturbereich hinweg betriebsfähig sein muss. Es ist zu beachten, dass obgleich jeder Kaskadenkreislauf Kälte beabsichtigtermaßen hauptsächlich über seinen zugeordneten Temperaturbereich bereitstellen soll, er ebenfalls etwas Kälte bei höheren Temperaturpegeln bereitstellen kann. Daher können sich die Kaskadenkreisläufe mit Bezug auf die Bereitstellung von Kälte bei einem gegebenen Temperaturbereich untereinander etwas überlappen.The invention is particularly useful about cold starting from ambient temperature down to a cryogenic To provide temperature, the level of which is down to 5 ° K can. Although the invention provides such coldness over this used throughout the temperature range in a single loop it is generally preferred to use this cold in one To provide a plurality of cascade loops. The use of several Cascade grinding enables it that every cycle cold over one chosen Can provide temperature range. This will make choosing one suitable refrigerant mixture relieved because the selected Mix only over be operational over a limited temperature range got to. It should be noted that although each cascade cycle is intended to be cold primarily about its own should provide assigned temperature range, he also some cold at higher Can provide temperature levels. Therefore, the cascade circuits can Regarding the provision of cold at a given temperature range overlap somewhat with each other.

Das Kaskadenschleifensystem wird in Zusammenhang mit 4 illustriert und erläutert. Nun auf die 4 Bezug nehmend weist ein für höhere Temperaturen bestimmtes Kältemittel mit variabler Last zwei oder mehr Stoffe aus z.B. Tetrafluormethan, Fluoroform, Perfluorpropan, Perfluorbutan, Pentafluorpropan, Tetrafluorethan, Difluormethoxy-Difluormethan und Perfluorpentan auf, und wird in einer Schleife mit höherer Temperatur 30 umgewälzt, in der Kälte von der Umgebungstemperatur von etwa 300°K bis hinunter zu etwa 200°K bereitgestellt wird. Das etwa 300°K warme Kältemittel 31 für höhere Temperatur wird in einem Kompressor 32 verdichtet, durch einen Kühler 33 und einen Wärmetauscher 60 gekühlt und durch ein Ventil 34 gedrosselt, um Kältemittel 35 für geringere Temperatur bei etwa 200°K zu erzeugen. Anschließend wird das Kältemittel für geringere Temperatur zurück bis auf etwa 300°K erwärmt und als der Strom 31 zu dem Kompressor 32 zurückgeführt.The cascade loop system is related to 4 illustrated and explained. Now on the 4 For reference, a refrigerant with a variable load intended for higher temperatures has two or more substances from, for example, tetrafluoromethane, fluoroform, perfluoropropane, perfluorobutane, pentafluoropropane, tetrafluoroethane, difluoromethoxy difluoromethane and perfluoropentane, and is circulated in a loop at a higher temperature 30 in which Cold is provided from the ambient temperature of about 300 ° K down to about 200 ° K. The approximately 300 ° K warm refrigerant 31 for higher temperature is in a compressor 32 compressed by a cooler 33 and a heat exchanger 60 cooled and through a valve 34 throttled to refrigerant 35 for a lower temperature at about 200 ° K. The refrigerant is then heated back to a lower temperature to about 300 ° K and as the current 31 to the compressor 32 recycled.

Zwischentemperiertes Kältemittel mit variabler Last, das zusätzlich zu einer oder mehreren der genannten Komponenten für das Fluid für höhere Temperatur Stickstoff und/oder Argon enthalten kann, wird in einer Zwischentemperaturschleife 40 umgewälzt, in welcher Kälte von etwa 200°K bis etwa 100°K bereitgestellt wird. Ein Kältemittel 41 für Zwischentemperatur wird in einem Kompressor 42 verdichtet, durch einen Kühler 43 und die Wärmetauscher 60 und 61 gekühlt und durch ein Ventil 44 gedrosselt, um Kältemittel 45 für geringere Temperatur bei etwa 100°K zu erzeugen, das erwärmt und anschließend als ein Strom 41 zu dem Kompressor 42 zurückgeführt wird.Intermediate temperature refrigerant with variable load, which may contain nitrogen and / or argon in addition to one or more of the components mentioned for the fluid for higher temperature, is in an intermediate temperature loop 40 circulates in which cold from about 200 ° K to about 100 ° K is provided. A refrigerant 41 for intermediate temperature is in a compressor 42 compressed by a cooler 43 and the heat exchangers 60 and 61 cooled and through a valve 44 throttled to refrigerant 45 for lower temperature to generate at about 100 ° K, which is heated and then as a stream 41 to the compressor 42 is returned.

Kältemittel für sehr niedrige Temperatur weist zwei oder mehrere Stoffe aus Stickstoff, Argon, Helium, Neon und Wasserstoff auf und wird in einer Schleife 50 für sehr niedrige Temperatur umgewälzt, in welcher der Temperaturpegel von etwa 100°K auf etwa 20°K oder sogar noch weniger abgesenkt wird. Das Kältemittel 51 für sehr niedrige Temperatur wird in einem Kompressor 52 verdichtet, durch einen Kühler 53 und die Wärmetauscher 60, 61 und 62 gekühlt, und durch ein Ventil 54 gedrosselt, um Kältemittel 55 für geringere Temperatur bei etwa 20°K oder geringer zu erzeugen, welches mittels Durchleiten durch einen Erwärmer 56 und die Wärmetauscher 62, 61 und 60 erwärmt und anschließend als ein Strom 51 zu dem Kompressor 52 zurückgeführt wird.Very low temperature refrigerant contains two or more substances from nitrogen, argon, helium, neon and hydrogen and is looped 50 for very low temperatures, in which the temperature level is reduced from about 100 ° K to about 20 ° K or even less. The refrigerant 51 for very low temperature is in a compressor 52 compressed by a cooler 53 and the heat exchangers 60 . 61 and 62 cooled, and through a valve 54 throttled to refrigerant 55 for lower temperature at about 20 ° K or lower, which is by passing through a heater 56 and the heat exchangers 62 . 61 and 60 warmed up and then as a stream 51 to the compressor 52 is returned.

Die Erfindung ist für die Bereitstellung von Kälte über einen großen Temperaturbereich hinweg und insbesondere über einen Temperaturbereich hinweg besonders nützlich, der kryogene Temperaturen einschließt. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist jede der zwei oder mehreren Komponenten des Kältemittelgemisches mit variabler Last einen normalen Siedepunkt auf, der sich um mindestens 20° Kelvin von dem normalen Siedepunkt jeder anderen Komponente in diesem Kältemittelgemisch unterscheidet. Dies erhöht die Effektivität einer Bereitstellung von Kälte über einen großen Temperaturbereich und insbesondere über einen Temperaturbereich hinweg, der kryogene Temperaturen einschließt. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt der normale Siedepunkt der am höchsten siedenden Komponente des Mehrkomponenten-Kältemittels um mindestens 100°K und am bevorzugtesten um mindestens 200°K höher als der normale Siedepunkt der am niedrigsten siedenden Komponente des Mehrkomponenten-Kältemittels.The invention is for deployment from cold over one huge Temperature range and in particular over a temperature range particularly useful throughout which includes cryogenic temperatures. In a preferred embodiment The invention has each of the two or more components of the refrigerant mixture with a variable load to a normal boiling point that is at least 20 ° Kelvin from the normal boiling point of every other component in this refrigerant mixture different. This increases the effectiveness a provision of cold over one huge Temperature range and in particular over a temperature range away, which includes cryogenic temperatures. In a particularly preferred one embodiment the invention is the normal boiling point of the highest boiling Component of the multi-component refrigerant by at least 100 ° K and most preferably at least 200 ° K higher than the normal boiling point the lowest boiling component of the multi-component refrigerant.

Die Komponenten und ihre Konzentrationen, die das Kältemittelgemisch dieser Erfindung ausbilden, sind derart beschaffen, dass sie ein Kältemittelgemisch mit variabler Last ausbilden und eine derartige veränderliche Lastcharakteristik vorzugsweise über den ganzen Temperaturbereich des Verfahrens der Erfindung hinweg aufrechterhalten. Dies erhöht die Effizienz, mit der die Kälte erzeugt und über solch einen großen Temperaturbereich hinweg verwendet werden kann, deutlich. Die festgelegte Gruppe von Komponenten weist den zusätzlichen Nutzen auf, dass sie zur Ausbildung von Gemischen verwendet werden können, die nicht toxisch, nicht entflammbar und gering oder nicht ozonabreichernd sind. Dies offeriert weitere Vorteile gegenüber konventionellen Kältemitteln, die typischerweise toxisch, entflammbar und/oder ozonabreichernd sind.The components and their concentrations, which is the refrigerant mixture of this invention are such that they are a Refrigerant mixture train with variable load and such a variable Load characteristic preferably over the entire temperature range of the process of the invention maintained. This increases the efficiency with which the cold generated and over such a big one Temperature range can be used clearly. The set one Group of components has the added benefit that they can be used to form mixtures that are not toxic, not are flammable and low or non-ozone depleting. This offers other advantages over conventional refrigerants, which are typically toxic, flammable and / or ozone depleting are.

Ein bevorzugtes Kältemittelgemisch mit variabler Last dieser Erfindung, das nicht toxisch, nicht entflammbar und nicht ozonabreichernd ist, weist zwei oder mehrere Komponenten aus der aus C5F12, CHF2-O-C2HF4, C4HF9, C3H3F5, C2F5-O-CH2F, C3H2F6, CHF2-O-CHF2, C4F10, CF3-O-C2H2F3, C3HF7; CH2F-O-CF3, C2H2F4, CHF2-O-CF3, C3F8, C2HF5, CF3-O-CF3, C2F6, CHF3, CF4, O2, Ar, N2, Ne und He bestehenden Gruppe auf.A preferred variable load refrigerant mixture of this invention that is non-toxic, non-flammable, and non-ozone depleting has two or more components from the one of C 5 F 12 , CHF 2 -OC 2 HF 4 , C 4 HF 9 , C 3 H 3 F 5 , C 2 F 5 -O-CH 2 F, C 3 H 2 F 6 , CHF 2 -O-CHF 2 , C 4 F 10 , CF 3 -OC 2 H 2 F 3 , C 3 HF 7 ; CH 2 FO-CF 3 , C 2 H 2 F 4 , CHF 2 -O-CF 3 , C 3 F 8 , C 2 HF 5 , CF 3 -O-CF 3 , C 2 F 6 , CHF 3 , CF 4 , O 2 , Ar, N 2 , Ne and He existing group.

Die Erfindung kann zur Kälteerzeugung für eine große Anzahl an Verwendungszwecken und insbesondere für kryogene Anwendungen verwendet werden. Unter solchen Verwendungszwecken können die folgenden angeführt werden: Gastrennverfahren wie z.B. kryogene Luftzerlegungen und andere kryogene Trennungen, Erdgasveredelung, Verflüssiger, Lebensmittelgefrierung, Entlüftungsgasgewinnung, Pumpen von Wärme, Lagerung kryogener Flüssigkeiten und Rekondensierung von Transportbehältern, Kristallisation, Verfestigung, Niedertemperaturmahlen, Chemikalienlagerung und -transport, Lagerung und Transport von biologischem und medizinischem Material und gekühlte Räume, d.h. für die Handhabung und Lagerung von Materialien verwendete kalte Räume.The invention can be used to generate cold for one size Number of uses and especially used for cryogenic applications become. The following can be cited under such uses: Gas separation processes such as cryogenic air separation and other cryogenic Separations, natural gas processing, liquefier, food freezing, Vent gas recovery, Pumping heat, Storage of cryogenic liquids and recondensation of transport containers, crystallization, solidification, Low temperature milling, chemical storage and transportation, storage and transportation of biological and medical material and refrigerated spaces, i.e. for the Handling and storage of materials used cold rooms.

Claims (9)

Verfahren zum Erzeugen von Kälte, wobei im Zuge des Verfahrens: (A) ein Kältemittelgemisch mit variabler Last komprimiert wird, um ein komprimiertes Kältemittelgemisch mit variabler Last zu erzeugen, wobei das Gemisch mindestens eine Komponente aus der aus Fluorkohlenwasserstoffen, Hydrofluorkohlenwasserstoffen und Fluorethern bestehenden Gruppe und mindestens eine Komponente aus der aus Fluorkohlenwasserstoffen, Hydrofluorkohlenwasserstoffen, Fluorethern und atmosphärischen Gasen bestehenden Gruppe enthält, wobei die Komponenten unterschiedlich sind, wobei das Kältemittelgemisch weder Kohlenwasserstoffe noch Hydrochlorfluorkohlenwasserstoffe enthält und wobei der normale Siedepunkt der am höchsten siedenden Komponente des Kältemittelgemisches mindestens um 100°K höher liegt als der normale Siedepunkt der am niedrigsten siedenden Komponente des Kältemittelgemisches; (B) das komprimierte Kältemittelgemisch mit variabler Last gekühlt wird, um ein gekühltes, komprimiertes Kältemittelgemisch mit variabler Last zu erzeugen; (C) das gekühlte, komprimierte Kältemittelgemisch mit variabler Last expandiert wird und Kälte erzeugt wird, um ein kühleres Kältemittelgemisch mit variabler Last zu erzeugen; und (D) das kühlere Kältemittelgemisch mit variabler Last erwärmt wird.Process for generating cold, the process of which: (A) a refrigerant mixture is compressed with a variable load to a compressed refrigerant mixture generate with variable load, the mixture at least one Component made of fluorocarbons, hydrofluorocarbons and fluoroethers existing group and at least one component made from fluorocarbons, hydrofluorocarbons, Fluoroethers and atmospheric Contains gases existing group the components being different, the refrigerant mixture neither hydrocarbons nor hydrochlorofluorocarbons contains and being the normal boiling point of the highest boiling component of the refrigerant mixture at least by 100 ° K is higher than the normal boiling point of the lowest boiling component of the refrigerant mixture; (B) the compressed refrigerant mixture cooled with variable load is a chilled, compressed refrigerant mixture generate with variable load; (C) the cooled, compressed refrigerant mixture is expanded with variable load and cold is generated to a cooler refrigerant mixture generate with variable load; and (D) the cooler refrigerant mixture heated with variable load becomes. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das komprimierte Kältemittelgemisch mit variabler Last als Ergebnis der Kühlung von Schritt (B) teilweise kondensiert wird und die sich ergebende Flüssigkeit und der Restdampf getrennt werden und der Dampf vor dem Erwärmen danach weiter gekühlt wird.The method of claim 1, wherein the compressed Refrigerant mixture with variable load as a result of the cooling of step (B) partially is condensed and the resulting liquid and residual vapor are separated and the steam before heating then chilled further becomes. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren zunächst mit einem ersten Kältemittelgemisch mit variabler Last und dann mit einem zweiten Kältemittelgemisch mit variabler Last ausgeführt wird, wobei das erste Kältemittelgemisch mit variabler Last durch Kühlen des zweiten Kältemittelgemischs mit variabler Last erwärmt wird.The method of claim 1, wherein the method first with a first refrigerant mixture with variable load and then with a second refrigerant mixture with variable Load executed the first refrigerant mixture with variable load by cooling of the second refrigerant mixture is heated with a variable load. Verfahren nach Anspruch 1, wobei in Schritt (C) das kühlere Kältemittelgemisch mit variabler Last bei einer kryogenen Temperatur erzeugt wird.The method of claim 1, wherein in step (C) the cooler Refrigerant mixture is generated with a variable load at a cryogenic temperature. Kältemittelgemisch, welches nicht – toxisch und nicht – entflammbar ist und nur eine geringe Ozonverarmung verursacht und mindestens eine Komponente aus der aus Fluorkohlenwasserstoffen, Hydrofluorkohlenwasserstoffen und Fluorethern bestehenden Gruppe und mindestens eine Komponente aus der aus Fluorkohlenwasserstoffen, Hydrofluorkohlenwasserstoffen, Fluorethern und atmosphärischen Gasen bestehenden Gruppe aufweist, wobei die Komponenten unterschiedlich sind und das Kältemittelgemisch weder Kohlenwasserstoffe noch Hydrochlorfluorwasserstoffe aufweist und wobei der normale Siedepunkt der am höchsten siedenden Komponente des Käl temittelgemisches um mindestens 100°K höher liegt als der normale Siedepunkt der am niedrigsten siedenden Komponente des Kältemittelgemisches.Refrigerant mixture, which is non-toxic and not - flammable and causes little ozone depletion and at least a component from that of fluorocarbons, hydrofluorocarbons and fluoroethers existing group and at least one component made from fluorocarbons, hydrofluorocarbons, Fluoroethers and atmospheric Gases existing group, the components being different and the refrigerant mixture has neither hydrocarbons nor hydrochlorofluorohydrocarbons and being the normal boiling point of the highest boiling component of the refrigerant mixture by at least 100 ° K is higher than the normal boiling point of the lowest boiling component of the refrigerant mixture. Kältemittelgemisch gemäß Anspruch 5, wobei jede der Komponenten des Gemischs einen normalen Siedepunkt aufweist, welcher sich um mindestens 20°K von dem normalen Siedepunkt einer jeden der anderen Komponenten des Kältemittelgemisches unterscheidet.Refrigerant mixture according to claim 5, each of the components of the mixture having a normal boiling point which is at least 20 ° K from the normal boiling point distinguishes each of the other components of the refrigerant mixture. Kältemittelgemisch gemäß Anspruch 5, wobei das Kältemittelgemisch mindestens einen Fluorkohlenwasserstoff mindestens einen Hydrofluorkohlenwasserstoff und mindestens ein atmosphärisches Gas aufweist.Refrigerant mixture according to claim 5, the refrigerant mixture at least one fluorocarbon at least one hydrofluorocarbon and at least one atmospheric Has gas. Kältemittelgemisch gemäß Anspruch 5, wobei das Kältemittelgemisch mindestens zwei Komponenten aus der aus Fluorkohlenwasserstoffen, Hydrofluorkohlenwasserstoffen und Fluorethern bestehenden Gruppe und mindestens zwei atmosphärische Gase aufweist.Refrigerant mixture according to claim 5, the refrigerant mixture at least two components made of fluorocarbons, Hydrofluorocarbons and fluoroethers existing group and at least two atmospheric Has gases. Kältemittelgemisch gemäß Anspruch 5, wobei das Kältemittelgemisch mindestens einen Fluorether und mindestens eine Komponente aus der aus Fluorkohlenwasserstoffen, Hydrofluorkohlenwasserstoffen, Fluorethern und atmosphärischen Gasen bestehenden Gruppe aufweist.Refrigerant mixture according to claim 5, the refrigerant mixture at least one fluoroether and at least one component from the from fluorocarbons, hydrofluorocarbons, fluoroethers and atmospheric Gases existing group.
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